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WO2007048431A2 - Capteur d’effort pour bicyclette, assistance a l’entrainement - Google Patents

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WO2007048431A2
WO2007048431A2 PCT/EP2005/011572 EP2005011572W WO2007048431A2 WO 2007048431 A2 WO2007048431 A2 WO 2007048431A2 EP 2005011572 W EP2005011572 W EP 2005011572W WO 2007048431 A2 WO2007048431 A2 WO 2007048431A2
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Jean-Marc Ferme
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Jean-Marc Ferme
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    • A63B2230/06—Measuring physiological parameters of the user heartbeat characteristics, e.g. ECG, blood pressure modulations heartbeat rate only

Definitions

  • the invention is a device embedded on a bicycle, allowing its driver to be informed at all times the status of his performance on a given course.
  • the device can therefore be used for sports training purposes or information or recording during an excursion.
  • this device is capable of measuring, graphically displaying, accurately recording the speed of rotation and the angular acceleration of the pedal, to calculate the engine torque provided by the cyclist , the instantaneous power output provided as well as the energy expended by a cyclist and his cardiac activity; this information is correlated with other quantities known in advance, measured or calculated such as the weight of the cyclist, the speed or position of the bicycle in a given course, the temperature and the air pressure.
  • Fig. 03 5 represents a typical curve of muscular energy expenditure, during which all the first two biochemical energy sectors are exhausted at the beginning of the effort. A profile of power and energy expenditure below the curve (93) will not cause inconvenience to the cyclist. On the other hand, any 0 overpowering of the curve (93) will result in a penalty, which the cyclist will have to pay later in the form of either excessive stressing of the cardiovascular system, premature exhaustion, or muscle soreness due to excess production of lactic acid.
  • the rest periods either when the freewheel is used or during a break, are also recorded in order to follow the physical recovery of the cyclist.
  • the invention is of particular importance because the 0 reaction of the cyclist 's cardiovascular system is always •
  • the invention is of particular importance, because the reaction of the cyclist's cardiovascular system is always consistent with the effort provided, and therefore always late compared to the action.
  • the device thus allows the cyclist to optimize in real time the use of his muscular resources and to avoid penalizing overloads.
  • the invention directly uses the teeth of the trays to detect the essential parameters required. There is no encoder wheel to add. • Given the small number of components to add, the weight of the bicycle will not be affected too much by the invention, which will satisfy the athletes concerned about the weight of their equipment.
  • Proposals have been made to include a greater number of magnetic singularities in the pedalboard, but they typically lead either to the replacement of a component of the existing pedalboard, or to the creation of measurement noise directly related to inaccuracy. angular positioning of the singularities.
  • the measurements thus obtained are not always representative of the useful torque, have a very low dynamics, a very low signal-to-noise ratio because the intrinsically high rigidity of the constituent elements of the bicycle limits the range of use of the sensors.
  • a proposal (DE 34 46 689 A1) introduces an elastic element with strain gauge mounted on the movable assembly of the trays; an electronic circuit ensures the conditioning of the
  • the system must have an autonomous power supply.
  • JP10035567 the proposed method does not allow measurement of the torque provided by a single leg of the cyclist.
  • the rudimentary 140 could not guarantee its use in the environmental conditions of an outdoor bicycle. In addition, this system did not manage the combination plateau-pinion and therefore the calculation of the developed useful power was difficult to exploit.
  • the invention uses an original and sequential method for estimating the external forces applied to the bicycle - bicycle assembly, thereby making it possible to calculate the useful torque 170 supplied.
  • the expression [3] contains two unknowns, the useful torque C that one wants to measure, and the components of the external forces.
  • invention will use 185 in principle a particularity of the system related to the cyclic and quasi-discontinuous appearance of the application of the engine torque: •
  • the useful torque C passes twice per cycle by a minimum value, this inside the high dead band 190 or bottom of the pedal (6), it is possible to define the dead band by the angular zone of rotation of the pedal (6) in which the pedal A dead end arm can be simply defined in advance by a frame of the values 195 of angles of rotation of the pedal (6), or well by detection and locating the relative minimum of the angular acceleration that is by definition within the dead band, or by detecting the concavity of the angular acceleration curve.
  • the duration of a cycle of rotation of the pedal (6) is about one second for a walk (0.6 seconds for a race), and it can rightly be considered that external efforts
  • the useful torque C can be calculated from the expression [6] and so on. Note that it is also possible to calculate an average of the acceleration values measured in the deadband, instead of
  • FIG. 02A, Fig. 02B, Fig. 02C represent the temporal evolution of the main states that are useful for the presentation for different path profiles, respectively, ascent up, descent start,
  • the markers represent the same magnitudes on each figure concerned. We note the very different character of these curves as a function of the path profile. In principle, there is no real limitation to the application of this method.
  • the acceleration measurement teta "n" is valid only as long as the rider keeps pedaling the freewheel locked in torque transmission to the rear wheel. The whole thing is to have a sufficiently rich, dynamic information, and at a minimum. sampling frequency well 240 greater than IHz.
  • the invention proposes an original method for detecting the angular acceleration of the crankset, ie the direct use of the toothing of one of the existing plates (7) (8) (9) on the
  • the method of optical detection of the passage of teeth is based on a particular control sequence of an optoelectronic component. Indeed, it is necessary to detect the useful signal of the surrounding noise, here created by ambient light, natural or artificial, essentially variable on a path.
  • the value of the reduction ratio between the active plate and the pinion in service is essential to calculate the 265 torque. It is therefore necessary to add to the system a real-time calculation of the gear ratio n 2 / n, failing to have the information directly from the derailleurs or their control system.
  • the information extracted from the described principle is processed by the onboard processing unit (1) and is graphically displayed on its screen and recorded sequentially for further processing on another non-embedded computer.
  • Central unity Onboard also handles other signals such as the distance traveled pulses or the position obtained by a global positioning system (Gobai Positioning System), the atmospheric pressure, the temperature of the air.
  • a global positioning system Gobai Positioning System
  • the invention is therefore also an onboard system enabling the cyclist to prepare his strategy and adapt his racing tactics while following the course according to his own physiological data, the course profile, the conditions of the race. environment and the estimation of its aerobic and anaerobic energy expenditure (lactic or alactic) and 285 of the estimated state of its reserves in ATP (Adenosine Tri-Phosphate).
  • the instantaneous power supplied by the cyclist is compared to the registered cyclist's personalized physiological values and
  • 305 Fig.01 general view of the system consisting of the on-board CPU (1), the pedal-plate assembly (2), the equipped plate (3) for taking information from the pedal, the magnetic sensor ( 4) rotation of the bicycle wheel.
  • the interconnection (not shown) of the components is in principle
  • Fig.02 Main equations that govern the system. [1] gives the equivalent mass M of the frame-cyclist assembly (mi), and wheels (m).
  • [3] gives the equation of the movement of the angular rotation of the pedal, in which C is the engine torque applied by the cyclist on the pedal, n and n 2 respectively the number of
  • teta is the angular rotation of the pedal
  • teta 'the angular velocity and teta' is the angular acceleration of the pedal
  • teta r is the angular rotation of the rear wheel
  • alpha the inclination of the plan on which the bicycle moves in relation to the horizontal
  • [4] expresses the non-slip rolling relationship between the X translation movement of the bicycle on the ground and the rotational movement of the rear wheel.
  • [6] expresses the relation [3] between two dead spots and in the absence of coasting operation. It makes it possible to calculate C on the basis of the value Teta " bm memorized at the point
  • Fig. 02A The graph shows the evolution of the acceleration teta "(122) during a part of the pedals rotation cycle In the dead band (121), the useful torque C is almost zero 345 and the acceleration measured teta is representative of external efforts; it has the value (120) teta " bm at the relative minimum
  • the signals are in fact sampled at all delta t (132), which applies to the angular rotation speed signal (125). 350
  • the points (126) and (127) represent the points of a pedal rotation speed measurement on a complete pedal revolution, and show that the latitudinal sampling does not allow to have access to the fast variations of the states .
  • the sampling (132) makes it possible to follow the speed signal
  • the instantaneous power curve (129) intercepts the power threshold (131).
  • the average power is represented by the
  • F ⁇ g. 02B Evolution of the same curves as in FIG. 02A, but in a situation where the result of actions outside the bicycle and the cyclist gives a component (120) positive 365 (as for example during a descent).
  • Fig. 02D Simplified algorithm for calculating the torque
  • the signal (141) from the magnetic sensor (4) Fig. 01 triggers the calculation of the gear ratio n / n 2 based on the number of pulses (140) generated by the motion detection (16). 05 with each pass of a plateau tooth.
  • formula (146) shows that one can perform the calculation between two pulses (141) of the magnetic sensor signal (4) or more, in order to improve the accuracy of calculation.
  • the other asynchronous algorithm of the previous one is triggered by the pulse (140) of the motion detection (16).
  • the speed of rotation and the acceleration are calculated in (142), and depending on the passage of the acceleration teta ⁇ n by a minimum, the comparator (143) selects the calculation (144) of the useful torque and other states after exceeding the minimum, or
  • Fig. 03 Available power curves during an example of muscular energy expenditure. Curve (90) represents the anaerobic alactic contribution of creatine and
  • the curve (91) represents the lactic anaerobic contribution
  • the curve (92) aerobically the contribution of the aerobic die.
  • the curve (93) represents the sum of the contributions.
  • the threshold (94) decides the passage between the consumption of the resources of the alactic or anaerobic
  • the threshold (95) decides the passage between the consumption of the resources of the lactic anaerobic sector or the aerobic sector.
  • the curve (93) and the thresholds (94) (95) are displayed graphically on the screen (51) Fig.10, and when the
  • the cursor When the cursor reaches the right end of the screen, the cursor restarts to the left of the screen erasing the previous data with each subsequent movement to the right.
  • Fig. 03A Display of ATP resources on the on-board central unit (1): three counters (96) (101) (106) respectively representing the resources of the three anaerobic alactic, anaerobic lactic, aerobic, the remaining resources indicated by the height of the graphical bar
  • FIG. 05 Partial section of a pedalboard (6) with three trays equipped for the example of two motion sensors, one transmissive (15) on the outer ring, the other reflective (13) measuring the angular rotation of the plate (9).
  • Fig. 05A detail of the fixing of the sensor holder bracket (17) covered with an adhesive coating on the frame (12) of the bicycle 430 by means of an elastic link (18). The pressure exerted by the elastic tie keeps the square in position.
  • Fig. 07 Schematic diagram of optical motion detection: a clock (31) synchronizes the emission of photons by the diode
  • the transceiver torque receiver signal (30) is filtered by a unit (34) and continuously supplies the non-inverting input of the comparator (36).
  • the transistor (32) When the light emitting diode of the transceiver pair (30) is not energized, the transistor (32) is on and the capacitor (35) records the average value of the ambient illumination of the transceiver pair (30). When the light-emitting diode of the transceiver pair
  • the senor does not detect a change in illumination.
  • the timing diagram shows a sequence of detection of the passage of a tooth of the plate (7) (8) (9) in front of one of the transceiver pair (30). This sequence applies either to the transmissive sensor (15) for the case of the absence of tooth for the edges (40) (41) and the presence of plateau tooth for
  • step (49) or the reflective sensor (13) for the case of the presence of tooth for the edges (40) (41) and the absence of plateau tooth for the step (49).
  • the comparator changes state (45). It is only at the arrival of the falling edge (41) of the control signal coming from (31) that the state of the output (38) of the comparator (36) will be memorized (47) by (33) before the fallout of
  • Fig. 08 reflective sensor (13) equipped with the sun screen brush (25) also protecting the sensor against dirt 505
  • Fig- 09 Transmissive sensor (15) equipped with the sun screen brush (25) also protecting the sensor against dirt
  • Fig. 10 embedded central unit as shown schematically.
  • 510 (1) comprising a watertight housing (50), a graphic display (51), micro-contacts (53) (54) (55) for controlling the functions of the equipment, a connector (56) ) used for connecting the on-board CPU (1) with the different sensors Fig. 05 (14) (16) and FIG. 01 (4), a connector (57) for connection with an additional GPS unit or with a PC computer for operating recordings or setting parameters of the on - board CPU, and a connector (58) for auxiliary power supply.
  • An assembly (52) of a battery or accumulator module and a solar module provides the normal supply 520 of the onboard CPU (1) and its sensors.
  • Mechanical fasteners are provided for fixing the central unit on the handlebar of the bicycle.
  • Fig. 11 Embedded CPU support. It comprises a flat section (62) mounted on the handlebar of the bicycle (60) with a tubular shock absorber (61) made of synthetic material, the whole being fixed by the plate (71) by means of the bolts (66). ) (67); the assembly is therefore adjustable, so as to maximize the comfort of operation and reading of the screen.
  • the onboard CPU (1) is held in the carrier and abuts on the damper (68), its interface connector FIG. 12 (56) is nested in the interface connector (72) of the support, and the upper part of the onboard CPU (1) is held by the locking 535 (69) (70), whose holding force is produced by the spring (65) and transmitted by the pins (63) and (64).
  • Fig. 12 Assembly of the interface connector (72) with the flat profile (62) and the damper (68).
  • the interface connector 540 (72) is slidably mounted through the flat profile (62) so as not to transmit radial force to the onboard CPU (1).
  • (73) represents the strands of the cable going to the different sensors.
  • 545 Fig. 13 Oscillating motion sensor variant of the damped oscillator type.
  • the coil (80) and its magnetic circuit are placed close to the ring gear (7). In the absence of metal toothing, the coil (80) and the associated capacitor (81) are controlled by the integrated circuit (82) operating on the
  • the signal (141) coming from the magnetic sensor (4) for rotating the wheel of the bicycle triggers the counting of the counting of the pulses coming from a plate (7) or (8) or (9) which is known in advance. the number of teeth, the division according to the expression (146), the resetting of the
  • the second synchronized loop on the signal (140) coming from the passage of the teeth of a plate (7) or (8) or (9) in front of the motion detection (16) computes in sequence: • in (142), the speed rotation teta 'of the pedal (6),
  • optical sensors or non-contact inductive sensors with damped oscillator or variable reluctance are preferred.
  • Optical detection whose schematic diagram given in FIG. 07 uses a transceiver pair (30) with a maximum of
  • 645 sensitivity is in the infrared, for a wavelength of 950 nm, so as to deviate as much as possible from the peak of the frequencies contained in sunlight or artificial light.
  • the detector is a phototransistor, but could also be a photodiode.
  • a brush (25) made of synthetic fibers makes it possible to
  • a second brush can be added to protect the sensor from dirt projections coming from the
  • the proposed transceiver pair can be indifferently transmissive as shown in FIG. 09 or reflective 08, depending on the ease of installation on the bicycle.
  • 660 are mechanically assembled to form a unit with an output cable.
  • a synthetic resin molding makes it possible to make the assembly in its (16) or (14) form.
  • 05 waterproof and easy to mount on the plate (17) Fig. 05
  • ambient light level (its light-emitting diode being non-energized), which level is stored just before commissioning of its light-emitting diode, and secondly to measure with its phototransistor the energy received from its light-emitting diode fed .
  • ambient light measurement phase with the signal received in the power supply phase of the light emitting diode makes it possible to decide on the presence of a tooth or its absence.
  • the output state of the comparator (36) indicating the presence or absence of a tooth is stored (38) on the front (41) of
  • the nominal rotation speed of the plate for high level pistars is 100 revolutions per minute, which gives a frequency of
  • the maximum frequency of the oscillator (31) of the optical detection is preferably of the order of 20 to 50 kHz.
  • the power supply duration of the light-emitting diode is preferably of the order of 10 ⁇ s, ie 1/5 of the optical detection period, which makes it possible to reduce the electrical energy consumed.
  • the optical detection oscillator (31) is integrated with the optical detection FIG. 07, so as to avoid problems of electromagnetic compatibility, given the stiffness of the fronts of this clock.
  • This clock can also be supplied from the on-board CPU (1),
  • a diode can be added in parallel with the charge (34) of the phototransistor, providing an automatic correction of the transfer coefficient.
  • Optical detection Fig. 07 is powered by the embedded central unit (1); the detected signal (38) is sent to the on-board CPU (1); it is the on-board CPU (1) that thus manages the power on or off of the module of
  • the calculated value of the useful torque C is then multiplied by the value of teta 'present, so as to obtain the useful instantaneous power.
  • the calculation of the energy is an accumulation of the instantaneous power values on a pedal revolution multiplied by the duration during which the torque C has been motor.
  • FIG. 03 The three A.T. P. channels are symbolized by dynamic accumulators, preloaded 100% for an excursion and visible on the graphic screen (51) of the onboard central unit (1).
  • the accumulator of the Creatine Phosphocreneine CP (96) FIG. 03 will be decremented at each unit of time only when the
  • the cyclist's instantaneous power will exceed the predefined value (94) predefined by the cyclist in advance and an audible signal (series of rapid beeps) will be issued by the on-board central unit (1).
  • an audible signal series of rapid beeps
  • the accumulator AN (101) FIG. 03 of the lactic anaerobic branch is also decremented at each unit of time, as soon as the instantaneous power supplied by the cyclist is between
  • this accumulator counter will fill again instantly when it is empty and the indication (108) will continue to be incremented until the end of the excursion .
  • the minimum and maximum heart rate indicators (99) (100), (104) (105), (109) (110) located next to each accumulator (96), (101), (106) are updated according to the information available. All the
  • the time evolution of the instantaneous power (93) and the thresholds P1 (94) and P2 (95) represented in the form of horizontal line 800 dashed as in FIG. 03 are also available on the graphic display (51) of the onboard central unit (1), at the cyclist's choice.
  • the accumulators (96) and (97) have a set slider respectively (111) and (112) which allow the cyclist to know at this specific point of the course what should be the state of his reserves. 815
  • the description given is for a bicycle equipped with any number of trays.
  • the light-emitting diodes of the optical sensors can be replaced by optically focused or non-optically focussed laser diodes, which improve the immunity to ambient light at the expense of the electrical consumption, however.
  • the phototransistor can be replaced by a photodiode associated with an amplifier (transistor or operational amplifier JFET).
  • optical sensors can be replaced by damped oscillator sensors of the type Siemens TCA 105 or TCA 355B, which have
  • the calculation method can also be performed from analog circuits, or a combination of digital and analog circuits.

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Abstract

Méthode de calcul du couple utile fourni par un cycliste à une bicyclette, par détection de l’accélération angulaire du pédalier-plateau (2) et recherche de minima locaux pour déterminer la résultante des efforts extérieurs en combinaison avec le rapport de démultiplication de la transmission, dont le calcul est effectué grâce aux informations du capteur magnétique (4). Une méthode adéquate de mesure du mouvement du pédalier-plateau (2) par un détecteur auto-adaptatif (3) exploitant directement la denture d’un plateau, insensible à la lumière ambiante, et délivrant avec la précision et la bande passante requise l’information nécessaire à l’unité centrale embarquée (1) pour le calcul, l’affichage graphique, la signalisation sonore, l’enregistrement et la restitution numérique de l’accélération, du couple utile, de la puissance instantanée, moyenne, maximum, de l’énergie consommée dans trois catégories de ressources biochimiques au cours de l’excursion. Un dispositif complet et autonome utilisant les méthodes ci-dessus permettant à un cycliste de maximiser sa performance et d’éviter des surcharges musculaires pénalisantes. D’autres dispositifs de détection du mouvement du pédalier ou de calcul du rapport de démultiplication peuvent être utilisés.

Description

Capteur d'effort pour bicyclette, assistance à l'entraînement
Domaine technique :
5 L'invention est un dispositif embarqué sur une bicyclette, permettant à son conducteur d'être à tout instant informé l'état de sa performance sur un parcours donné. Le dispositif peut donc être utilisé à des fins d'entraînement sportif ou bien d'information ou d'enregistrement lors d'une excursion. 0
Quel que soit la profil du trajet et les conditions aérodynamiques, ce dispositif est capable de mesurer, d'afficher graphiquement, d'enregistrer précisément la vitesse de rotation et l' accélération angulaire du pédalier, de calculer le couple moteur 5 fourni par le cycliste, la puissance utile instantanée fournie ainsi que l'énergie dépensée par un cycliste et son activité cardiaque ; ces informations sont corrélées avec d'autres grandeurs connues à l'avance, mesurées ou calculées telles que le poids du cycliste, la vitesse ou la position de la bicyclette dans Q un parcours donné, la température et la pression de l'air.
Le dispositif permet de situer l' effort fourni par le cycliste, dans la zone dite anaérobie alactique, ou dans la zone anaérobie lactique, ou finalement dans la zone aérobie. La Fig. 03 5 représente une courbe typique de dépense d'énergie musculaire, au cours de laquelle toutes les deux premières filières d'énergie biochimique sont épuisées en début d'effort. Un profil de puissance et de dépense énergétique au dessous de la courbe (93) n'induira pas de désagrément pour le cycliste. Par contre, tout 0 dépassement en surpuissance de la courbe (93) entraînera une pénalité, que le cycliste aura à payer ultérieurement sous forme soit de sollicitation exagérée du système cardio-vasculaire, soit d'épuisement musculaire prématuré, soit de courbatures dues à la production en excès d'acide lactique. Les temps de repos soit lors 5 d' usage conséquent de la roue libre, soit lors d' une pause sont aussi enregistrés afin de suivre la récupération physique du cycliste.
• L' invention est d' une importance particulière, car la réaction 0 du système cardio-vasculaire du cycliste est toujours • L'invention est d'une importance particulière, car la réaction du système cardio-vasculaire du cycliste est toujours conséquentielle à l'effort fourni, et donc toujours en retard par rapport à l'action. Le dispositif permet donc au cycliste d'optimiser en temps réel l'usage de ses ressources musculaires et d'éviter des surcharges pénalisantes.
• Parce que l'invention n'altère pas la structure mécanique de la bicyclette, l'intégrité de la bicyclette d'origine est conservée. Il n'y a pas de comportement différent de la bicyclette avant et après montage de l'invention. Le principe, les capacités à remplir sa fonction, le confort et les sensations de conduite de la bicyclette restent les mêmes . Ceci est essentiel eu égard aux efforts extrêmement intenses qui peuvent être développés par des sportifs .
• Le- système n'est pas sujet à une usure mécanique. • II n' est pas nécessaire de démonter une quelconque partie de la bicyclette pour installer le système.
• L' invention utilise directement les dentures des plateaux pour détecter les paramètres essentiels nécessaires. Il n'y a donc pas de roue codeuse à rajouter. • Compte tenu du nombre réduit de composants à rajouter, le poids de la bicyclette ne sera pas trop affecté par l' invention, ce qui donnera satisfaction aux sportifs soucieux du poids de leur équipement.
• En cas de panne du système, le fonctionnement de la bicyclette n' est pas altéré
• La visualisation des informations est réalisée par une écran graphique, offrant une flexibilité plus importante et un choix plus varié dans la présentation des informations qu' avec un affichage traditionnel numérique.
Technique antérieure :
Les premiers équipements historiquement réalisés ont été les compteurs kilométriques et indicateurs de vitesse, puis sont arrivés les indicateurs de rythme de pédalage. La plupart de ces équipements ne sont capables encore aujourd'hui que de détecter des valeurs moyennes, car le signal provient d'une unique singularité en général magnétique montée sur l'élément mobile en 80 rotation et délivrant une impulsion magnétique au capteur fixé sur une partie du cadre de la bicyclette, pour chaque tour complet effectué. La fréquence de cet échantillonnage est donc réduite . Compte tenu du caractère intrinsèquement pulsatoire de l'effort fourni par le cycliste, toute variation de vitesse qui 85 en résulte lors d'un cycle de rotation ne peut donc pas être observée .
Des propositions ont été faites pour inclure un plus grand nombre de singularités magnétiques dans le pédalier, mais elles conduisent typiquement soit au remplacement d' un constituant du 90 pédalier existant, soit à la création d'un bruit de mesure directement lié à l'imprécision du positionnement angulaire des singularités .
La mesure de forces exercées par la chaîne sur les palier du 95 moyeu de roue arrière est proposée dans (WO0130643).
Les mesures ainsi obtenues ne sont par toujours représentatives du couple utile, ont une dynamique très réduite, un rapport signal bruit très faible car la rigidité intrinsèquement élevée des éléments constitutifs de la bicyclette limite la plage 100 d'utilisation des capteurs.
Dans certaines inventions on a introduit des dispositifs élastiques déformables dans les éléments de transmission des efforts utiles à la propulsion de la bicyclette, ce afin
105 d'amplifier mécaniquement les déformations à mesurer. Ainsi on trouve des éléments élastiquement déformables insérés dans le palier de pédalier, qui permettent de mesurer avec une meilleure sensibilité la composante de la force radiale qui s'exerce sur ce palier dans une direction fixe donnée à l'avance (JP2002082003) .
110 Cependant la composante de l'effort radial sur le palier dans une direction donnée n'est pas toujours une bonne approximation du couple utile : pour donner un résultat correct, l'effort radial doit être vectoriellement combiné avec les bras de leviers générateurs de couple utile, valeurs dépendantes soit de l'angle
115 instantané de rotation du pédalier, soit de la combinaison plateaux-pignons actuelle. La mesure des micro-déformations dues au moment de flexion exercé sur un bras de pédale fait partie des premières méthodes directes
120 à avoir été expérimentées, n'a pas de grande dynamique de mesure.
Une proposition (DE 34 46 689 Al) introduit un élément élastique avec jauge de contrainte monté sur l'assemblage mobile des plateaux ; un circuit électronique assure le conditionnement du
125 signal et sa transmission à un récepteur situé à proximité sur le cadre de la bicyclette. Outre le fait que l'objet est assez encombrant et qu' il faut apporter des modifications importantes dans un endroit où la place fait défaut, le système doit avoir une alimentation autonome .
130
Dans l'invention JP10035567, la méthode proposée ne permet la mesure du couple fourni par une seule jambe du cycliste.
L'un des système les plus intéressant publié (US5031455) est
135 constitué d'un nouveau moyeu arrière avec des ressorts de torsion réalisant un couplage élastique entre l'effort transmis par la chaîne et la roue arrière. Un dispositif original de mesure combinée de l'effort et de la vitesse de rotation était proposé. Un capteur optique était proposé, dont le schéma très
140 rudimentaire ne pouvait garantir son utilisation dans les conditions d'environnement d'une bicyclette en plein air. Par ailleurs, ce système ne gérait pas la combinaison plateau-pignon et donc le calcul de la puissance utile développée était difficilement exploitable.
145
Des produits récents ont fait leur apparition sur le marché, incluant un système de positionnement GPS, mais aucun n'intègre une mesure de couple instantané associé à un dispositif de suivi des ressources énergétiques du cycliste.
150
Enfin, les ergomètres de laboratoire d' exploration fonctionnelle ou certains équipements d'entraînement disposent déjà de dispositifs de mesure de puissance, mais leurs principes ne sont pas applicables à une bicyclette évoluant normalement dans le but
155 de se déplacer sur un itinéraire sans assistance technique. Le résultat de la situation est qu'aujourd'hui, le marché propose quelques produits qui n'ont pas connu un réel essor commercial. De plus, les équipements actuels ne permettent d'afficher que des 160 valeurs numériques rafraîchies cycliquement, mais ces afficheurs ne permettent pas de représenter graphiquement des grandeurs, ni de les représenter sous forme d'historique.
165 Exposé de l' Invention :
L' invention fait appel à une méthode originale et séquentielle d' estimation des efforts extérieurs appliqués à l' ensemble cycliste-bicyclette, permettant alors de calculer le couple utile 170 fourni.
Afin d' éclairer la présentation du principe de mesure du couple utile, on fait référence à la Fig. 02 où l'on a modélisé le système cycliste/bicyclette et les principaux paramètres 175 régissant le mouvement. L'expression [3] montre la relation entre l'accélération angulaire teta", le couple utile C, les forces extérieures incluant l'action de la pesanteur, et cette expression n'est valable que lorsqu'il n' y a pas d'effet de roue libre . 180
À supposer que l'on arrive à mesurer très précisément l'accélération angulaire teta", l'expression [3] contient encore deux inconnues, le couple utile C que l'on cherche à mesurer, et la composantes des efforts extérieurs. L'invention va utiliser 185 dans son principe une particularité du système liée à l'aspect cyclique et quasi discontinu de l'application du couple moteur : • En l'absence de fonctionnement en roue libre, ce qui est le cas normal, le couple utile C passe deux fois par cycle par une valeur minimum, ce à l'intérieur de la bande morte haute 190 ou basse du pédalier (6); on peut définir la bande morte par la zone angulaire de rotation du pédalier (6) dans laquelle la pédale d'un bras de pédalier est proche soit du point mort haut soit du p'oint mort bas . La bande morte peut être simplement définie à l'avance par un encadrement des valeurs 195 d'angles de rotation du pédalier (6), ou bien par détection et localisation du minimum relatif de l'accélération angulaire qui est par définition à l'intérieur de la bande morte, ou encore par détection de la concavité de la courbe d'accélération angulaire.
200 Λ l'intérieur de la bande morte ou au passage de tetaΛΛ par le minimum, le terme correspondant (n2/n)2 C dans [3] devient négligeable . Donc dans la bande morte ou au minimum de l'accélération angulaire teta", la mesure de l'accélération angulaire du pédalier téta" donne précisément une valeur
205 proportionnelle à la somme des efforts extérieurs appliqués au système cycliste-bicyclette.
La durée d'un cycle de rotation du pédalier (6) est d'environ une seconde pour une promenade (0,6 secondes pour une course), et on peut considérer à juste titre que les efforts extérieurs
210 appliqués au cycliste-bicyclette ne varieront pas de manière sensible sur un demi-cycle. Donc, si on utilise une méthode consistant à mémoriser lors du passage dans chaque bande morte haute ou basse la valeur du minimum relatif téta"bπl de l'accélération, et que l'on soustraie algébriquement cette
215 valeur mémorisée à celle de l'accélération mesurée dans le demi-cycle suivant, on peut calculer le couple utile C grâce à l'expression [6] et ainsi de suite. A noter que l'on peut aussi procéder au calcul d'une moyenne des valeurs d'accélération mesurées dans la bande morte, en lieu et place
220 de la valeur du minimum tetaΛΛ bm, ou au filtrage de la valeur des minima teta"bm mesurés à chaque demi-cycle, et utiliser la valeur ainsi filtrée dans le calcul séquentiel tel que décrit précédemment .
225 Dans la pratique, on peut illustrer les cas d'application de cette méthode par les diagrammes de la Fig. 02A, Fig. 02B, Fig. 02C, qui représentent l'évolution temporelle des états principaux utiles à l'exposé pour des profils de trajet différents, respectivement démarrage en montée, démarrage en descente,
230 ralentissement en montée. Les repères représentent les mêmes grandeurs sur chaque figure concernée . On note le caractère très différent de ces courbes en fonction du profil du trajet. Sur le principe, il n'y a pas de réelle limitation à 235 l'application de cette méthode. La mesure d'accélération teta" n' est valide que tant que le cycliste maintient par son pédalage la roue libre bloquée en transmission de couple à la roue arrière. Le tout est de disposer d'une information suffisamment riche, dynamique, et à une fréquence d'échantillonnage bien 240 supérieure à IHz .
L' invention propose une méthode originale pour détecter l'accélération angulaire du pédalier, soit l'utilisation directe de la denture de l'un des plateaux (7) (8) (9) existants sur la
245 bicyclette et d'un capteur de mouvement qui détecte dans les conditions normales d'utilisation de la bicyclette le passage des dents et calcule la durée de passage d'une dent, ou de deux dents ou plus pour en déduire la vitesse de rotation angulaire teta' et l'accélération angulaire teta". Cette détection fait partie de
250 l'ensemble, car elle n'est en fait qu'une extension de l'unité centrale embarquée .
Par contre, les plateaux ,,non-réguliers", pour lesquels le diamètre d'enroulement ne sont pas constants, sont impropres à cet usage et l'adjonction d'une roue codeuse à haute densité de
255 singularités sur l'arbre (5) du pédalier s'impose en alternative.
La méthode de détection optique du passage des dents est basée sur une séquence de commande particulière d'un composant optoélectronique. En effet, il faut détecter le signal utile du 260 bruit environnant, ici créé par la lumière ambiante, naturelle ou artificielle, essentiellement variable sur un trajet.
La valeur du rapport de démultiplication entre le plateau en service et le pignon en service est indispensable au calcul du 265 couple. Il faut donc rajouter au système un calcul en temps réel du rapport de démultiplication n2/n, à défaut de disposer de l'information provenant directement des dérailleurs ou de leur système de commande.
270 Les informations extraites du principe décrit sont traitées par l'unité centrale embarquée (1) et sont affichées graphiquement sur son écran et enregistrées séquentiellement pour un traitement ultérieur sur un autre ordinateur non-embarqué . L'unité centrale embarquée gère aussi d' autres signaux comme les impulsions de 275 distance parcourue ou la position obtenue par un système de positionnement global (Gobai Positioning System) , la pression atmosphérique, la température de l'air.
L' invention est donc aussi un système embarqué permettant au 280 cycliste de préparer sa stratégie et d' adapter sa tactique de course tout en suivant en suivant le déroulement, ce en fonction de ses propres données physiologiques, du profil du parcours, des conditions d' environnement et de l' estimation de sa dépense énergétique aérobique et anaérobique (lactique ou alactique) et 285 de l'état estimé de ses réserves en A.T. P. (Adénosine Tri-Phosphate) .
La puissance instantanée fournie par le cycliste est comparée aux valeurs physiologiques personnalisées du cycliste enregistrées et
290 les surcharges involontaires dont la pénalité serait critique sur les résultats de l'excursion sont signalées accoustiquement . Par exemple, l'utilisation des filières anaérobies est cruciale et seul les sportifs très entraînés ont une connaissance personnelle de leurs limites, connaissance acquise par des entraînements
295 successifs. Par contre, un cycliste non spécialement entraîné pourra de manière involontaire épuiser rapidement ses réserves en
A. T. P. dans une filière donnée et ne s'en rendre compte que trop tard.
Une surveillance auxiliaire de l'activité cardiaque du cycliste
300 par un système indépendant est conseillée dans tous le cas .
Description sommaire des dessins :
305 Fig.01 : vue générale du système composé de l'unité centrale embarquée (1), de l'ensemble pédalier-plateau (2), de la platine équipée (3) pour la prise des informations du pédalier, du capteur magnétique (4) de rotation de la roue de la bicyclette. L'interconnexion (non représentée) des composants est en principe
310 réalisée par câble électrique. Fig.02 : Principales équations qui régissent le système. [1] donne la masse équivalente M de l'ensemble cycliste-cadre (mi),et des roues (m) .
315 [2] donne l'inertie équivalente J du système ramenée à l'axe de rotation du pédalier.
[3] donne l'équation du mouvement de la rotation angulaire du pédalier, dans lequel C est le couple moteur appliqué par le cycliste sur le pédalier, n et n2 respectivement le nombre de
320 dents du plateau et celui du pignon utilisés, teta est la rotation angulaire du pédalier, teta' la vitesse angulaire et teta" est l'accélération angulaire du pédalier, tetar est la rotation angulaire de la roue arrière, alpha l'inclinaison du plan sur lequel évolue la bicyclette par rapport à l'horizontale,
325 r le rayon des roues arrière et avant, g est l'accélération de la pesanteur, Fr les forces de frottement entre les roues et le sol, et Fv toutes les autres forces extérieures qui agissent sur la bicyclette et le cycliste (vent, etc...). Cette expression est valable hors des périodes de roue libre, c'est à dire lorsque le
330 cycliste contribue quasiment continûment à l'effort de propulsion.
[4] exprime la relation de roulement sans glissement entre le mouvement de translation X de la bicyclette sur le sol et le mouvement de rotation de la roue arrière .
335 [5] exprime la relation [3] pour chaque minimum dans la bande morte. Teta"bm est une valeur mémorisée.
[6] exprime la relation [3] entre deux points morts et en l'absence de fonctionnement en roue libre. Elle permet de calculer C sur la base de la valeur Teta"bm mémorisée au point
340 mort précédent.
Fig. 02A : Le graphique montre l'évolution de l'accélération teta" (122) au cours d'une partie de cycle de rotation du pédalier. Dans la bande morte (121), le couple utile C est quasi 345 nul et l'accélération teta" mesurée est représentative des efforts extérieurs ; elle a la valeur (120) teta"bm au minimum relatif. Les signaux sont en réalité échantillonnés tous les delta t (132), ce qui s'applique au signal de vitesse de rotation angulaire (125). 350 Les points (126) et (127) représentent les points d'une mesure de vitesse de rotation du pédalier sur un tour complet de pédalier, et montrent que l'échantillonnage au tour ne permet pas d'avoir accès aux variations rapides des états. Par contre l'échantillonnage (132) permet de suivre le signal de vitesse
355 avec une bonne précision (entre 30 et plus de 50 échantillons par tour) .
La courbe de couple calculé (128) .
La courbe de puissance instantanée (129) intercepte le seuil de puissance (131) . La puissance moyenne est représentée par la
360 courbe pointillée (130) .
F±g. 02B : Evolution des mêmes courbes qu'en Fig. 02A, mais dans une situation où la résultante des actions extérieures à la bicyclette et au cycliste donne une composante (120) positive 365 (comme par exemple lors d'une descente).
F±g. 02C : Evolution des mêmes courbes qu'en Fig. 02A, mais dans une situation où la résultante des actions extérieures à la bicyclette et au cycliste donne une composante (120) très 370 négative (comme par exemple lors d'une montée et lorsque la contribution du cycliste ne réussit pas à maintenir sa vitesse constante) .
Fig. 02D : Algorithme simplifié de calcul du couple, de la
375 puissance, et de l'énergie.
Le signal (141) provenant du capteur magnétique (4) Fig. 01 déclenche le calcul du rapport de démultiplication n/n2 sur la base du nombre d'impulsions (140) générées par la détection de mouvement (16) Fig. 05 à chaque passage d'une dent du plateau. La
380 formule (146) montre que l'on peut effectuer le calcul entre deux impulsions (141) du signal du capteur magnétique (4) ou plus de deux, ce afin d'améliorer la précision du calcul. L' autre algorithme asynchrone du précédent est déclenché par l'impulsion (140) de la détection de mouvement (16) Fig. 05 à
385 chaque passage d'une dent ou plus, selon la valeur donné à i.
La vitesse de rotation et l'accélération sont calculés en (142), et en fonction du passage de l' accélération tetaΛΛn par un minimum, le comparateur (143) sélectionne le calcul (144) du couple utile et des autres états après dépassement du minimum, ou
390 bien la recherche du minimum local strict ou relatif et sa mémorisation (145).
Fig. 03 : Courbes de puissance disponible au cours d'un exemple de dépense énergétique musculaire. La courbe (90) représente la contribution anaérobie alactique de la créatine et
395 phosphocréatine . La courbe (91) représente la contribution anaérobie lactique, la courbe (92) aérobie la contribution de la filière aérobie. La courbe (93) représente la somme des contributions. Le seuil (94) décide du passage entre la consommation des ressources de la filière anaérobie alactique ou
400 de la filière anaérobique lactique .
Le seuil (95) décide du passage entre la consommation des ressources de la filière de la filière anaérobie lactique ou de la filière aérobie. La courbe (93) et les seuils (94) (95) sont affichés graphiquement sur l'écran (51) Fig.10, et lorsque le
405 curseur atteint l'extrémité droite de l'écran, le curseur redémarre à gauche de l'écran effaçant les données précédentes à chaque mouvement suivant vers la droite .
Fig. 03A : Affichage des ressources ATP sur l'unité centrale 410 embarquée (1) : trois compteurs (96) (101) (106) représentant respectivement les ressources des trois filières anaérobie alactique, anaérobie lactique, aérobie, le niveau des ressources restantes indiqué par la hauteur de la barre graphique
(97) (102) (107) . La valeur en unité de temps durant laquelle on 415 fait appel à l'une des ressources est donné par l'indication
(98) (103) (108). Pour chaque ressource (96) (101) (106) on peut afficher la valeur de la fréquence cardiaque et les extrema
(99) (100), (104) (105), (109) (110) .
420 Fig. 05 : coupe partielle d'un pédalier (6) à trois plateaux équipé pour l'exemple de deux capteurs de mouvement, l'un transmissif (15) sur la couronne extérieure, l'autre réflectif (13) mesurant la rotation angulaire du plateau (9). Ces deux exemples de configuration permettent de mesurer la rotation
425 angulaire de l'équipage des plateaux (7) (8) (9) sur l'un desquels s'engrène la chaîne de traction (19). Fig. 05A : détail de la fixation de l'équerre porte-capteurs (17) recouverte d'un revêtement adhésif sur le cadre (12) de la 430 bicyclette au moyen d'un lien élastique (18). La pression exercée par le lien élastique maintient l'équerre en position.
Fig. 07 : Schéma de principe de la détection optique de mouvement : une horloge (31) synchronise l'émission de photons par la diode
435 électroluminescente du couple émetteur-récepteur (30) avec la commande d'un dispositif suiveur-mémoire (32) et le déclenchement d'une mémoire d'état (33). Le signal du récepteur du couple émetteur-récepteur (30) est filtré par une unité (34) et alimente en permanence l'entrée non-inverseuse du comparateur (36).
440 Lorsque la diode électroluminescente du couple émetteur-récepteur (30) n'est pas alimentée, le transistor (32) est passant et la capacité (35) enregistre la valeur moyenne de l' éclairement ambiant du couple émetteur-récepteur (30) . Lorsque la diode électroluminescente du couple émetteur-récepteur
445 (30) est alimentée, le transistor (32) est bloqué, permettant au comparateur (36) de comparer la valeur actuelle de la sortie du couple émetteur-récepteur (30) avec la valeur de l' éclairement ambiant mémorisé. Dans le cas du capteur réflectif Fig. 05 (13), la présence d'une
450 dent dans le trajet du faisceau lumineux émis entraînera un changement d'état du comparateur (36) qui sera enregistré dans la mémoire (33) .
Dans le cas du capteur transmissif Fig. 05 (15), l'absence de dent dans le trajet du faisceau lumineux entraînera un changement
455 d'état du comparateur (36) qui sera mémorisé dans le détecteur (33) .
Dans les autres cas, le capteur ne détecte pas de changement de l' éclairement .
460 Fig. 07A : Le chronogramme montre une séquence de détection du passage d'une dent du plateau (7) (8) (9) devant un du couple émetteur-récepteur (30). Cette séquence s'applique soit au capteur transmissif (15) pour le cas de l'absence de dent pour les fronts (40) (41) et la présence de dent de plateau pour
465 l'échelon (49), soit au capteur réflectif (13) pour le cas de la présence de dent pour les fronts (40) (41) et l'absence de dent de plateau pour l'échelon (49).
l'influence du front montant du signal de commande (40) venant de
470 (31) sur le démarrage de la comparaison de la tension (43) venant du phototransistor du couple émetteur-récepteur (30) et allant sur l'entrée du comparateur (36), alors que le transistor (32) bloque la tension (44) venant du phototransistor du couple émetteur-récepteur (30) qui se trouve maintenant isolé et sous la
475 dépendance du dispositif (35) et alimente l'autre entrée du comparateur (36) . Comme le phototransistor du couple émetteur-récepteur (30) reçoit des photons émis par la diode électroluminescente, le courant qui le traverse augmente et s'ajoute à celui qui est créé par l' éclairement ambiant ; lorsque
480 la tension (43) dépasse le seuil (42), dépendant de la réaction sur la sortie (37), le comparateur change d'état (45). Ce n'est qu'à l'arrivée du front descendant (41) du signal de commande venant de (31) que le l'état de la sortie (38) du comparateur (36) sera mémorisé (47) par (33) avant le retombée du
485 front (46). La diode électroluminescente n'étant plus alimentée, la tension de sortie du phototransistor du couple émetteur-récepteur (30) revient à la valeur imposée par l' éclairement ambiant, et le transistor (32) se retrouve en conduction et la tension du dispositif (35) se remet à suivre la
490 valeur de l' éclairement ambiant. La sortie du comparateur (36) revient à zéro mais ne peut pas transiter au travers de (33) . Le cycle suivant se réalise similairement, à la différence que l'absence de photons reçus par le phototransistor du couple émetteur-récepteur (30) n'affecte pas le courant qui le traverse
495 et la tension (43) reste égale à celle donnée par l' éclairement ambiant. Le comparateur (36) ne changera pas d'état. Lorsque le front descendant de l'échelon de commande (49) arrivera, la sortie du comparateur (36) déjà à zéro sera mémorisée par (33) dont la sortie changera sur le front (48) .
500
Fig. 08 : capteur réflectif (13) équipé de la brosse écran pare-soleil (25) protégeant aussi le capteur contre les salissures 505 Fig- 09 : capteur transmissif (15) équipé de la brosse écran pare-soleil (25) protégeant aussi le capteur contre les salissures
Fig. 10 : unité centrale embarquée telle que schématisée Fig. 01 510 (1) comprenant un boîtier étanche à l'eau(50), un écran graphique (51), des micro contacts (53) (54) (55) permettant la commande des fonctions de l'équipement, un connecteur (56) utilisé pour la liaison de l'unité centrale embarquée (1) avec les différents capteurs Fig. 05 (14) (16) et Fig. 01 (4), un connecteur (57) pour 515 la liaison avec une unité GPS additionnelle ou avec un ordinateur PC pour l' exploitation des enregistrements ou le réglage des paramètres de l'unité centrale embarquée, et un connecteur (58) d'alimentation auxiliaire. Un ensemble (52) d'un module de piles ou accumulateurs et d'un module solaire assure l'alimentation 520 normale de l'unité centrale embarquée (1) et des ses capteurs.
Des fixations mécaniques sont prévues pour fixer l'unité centrale embarquée sur le guidon de la bicyclette.
Fig. 11 : Support d'unité centrale embarquée. Il est constitué 525 d'un profilé plat (62) monté sur le guidon de la bicyclette (60) avec un amortisseur (61) tubulaire en matière synthétique, le tout étant fixé par la contre plaque (71) au moyen des boulons (66) (67) ; l'ensemble est donc orientable, de manière à maximiser le confort d'exploitation et de lecture des l'écran.
530 L'unité centrale embarquée (1) est maintenue dans le support et vient en butée inférieure sur l'amortisseur (68), son connecteur d'interface Fig. 12 (56) est emboîté dans le connecteur d'interface (72) du support, et la partie supérieure de l'unité centrale embarquée (1) est maintenue par le verrouillage 535 (69) (70), dont l'effort de maintien est produit par le ressort (65) et transmis par les pions (63) et (64) .
Fig. 12 : Assemblage du connecteur d'interface (72) avec le profilé plat (62) et l'amortisseur (68). Le connecteur 540 d'interface (72) est monté coulissant au travers du profilé plat (62) de manière à ne pas transmettre d'effort radial à l'unité centrale embarquée (1) . (73) représente les brins du câble allant aux différents capteurs . 545 Fig. 13 : Variante capteur de mouvement de denture du type oscillateur amorti. La bobine (80) et son circuit magnétique sont placés à proximité de la couronne dentée (7). En l'absence de denture métallique, la bobine (80) et le condensateur associé (81) sont pilotés par le circuit intégré (82) fonctionnant sur le
550 principe du type Siemens TCA 355B ou TCA 105 par exemple, et excités à leur fréquence propre. Lorsqu'une dent approche et passe devant l'extrémité du détecteur (80), les pertes électriques occasionnées dans la denture déséquilibrent l'oscillateur et le circuit intégré (82) monté sur la plaquette
555 (83) détecte la présence d'une dent, signal envoyé à l'unité centrale embarquée (1) .
Meilleure manière de réaliser l'invention :
560
L'algorithme présenté en Fig. 02D permet de suivre l'évolution des calculs à mettre en oeuvre .
On doit tout d' abord calculer le rapport actuel de démultiplication de la transmission du mouvement du pédalier (6)
565 à la roue arrière de la bicyclette. Le signal (141) venant du capteur magnétique (4) de rotation de la roue de la bicyclette déclenche le relevé du comptage des impulsions venant d' un plateau (7) ou (8) ou (9) dont on connaît à l'avance le nombre de dents, la division selon l'expression (146), la remise à zéro du
570 compteur d' impulsions venant du plateau et dont le comptage n' est pas interrompu. La précision obtenue sur n/n2 est de l'ordre du pour-cent lorsque i=l, c'est à dire qu'on mesure sur une période du signal (141) . En utilisant des valeurs supérieures de i, on acquiert plus de précision et les valeurs de i=l ou i=2 donnent
575 de bons résultats.
La deuxième boucle synchronisée sur le signal (140) provenant du passage des dents d'un plateau (7) ou (8) ou (9) devant la détection de mouvement (16) calcule en séquence : • en (142), la vitesse de rotation teta' du pédalier (6),
580 obtenue par la division du temps delta t multiplié du nombre d'échantillons i, par la différence de valeur Tn-Tn-I du compteur de l'horloge de l'unité centrale embarquée (1), dont la fréquence est typiquement de 5 MHz . Une valeur de i=l indique que l'on calcule la vitesse entre deux échantillons 585 consécutifs, soit un calcul entre deux dents adjacentes. On peut aussi obtenir de bons résultats avec i=2, ce qui donne une bande passante plus faible mais au bénéfice d'un effet de lissage des mesures.
• (142) calcule l'accélération angulaire teta" par division de 590 l'écart de vitesse entre le résultat du calcul ci-dessus avec la valeur calculée à l'échantillon précédent, rapportée au temps delta t multiplié du le nombre d'échantillons i.
• (143) permet d'orienter le calcul en fonction de la nouvelle valeur de l'accélération teta" ; la première fois que
595 l'accélération recommence à augmenter après une série de valeurs décroissantes, indiquant qu'on vient juste de dépasser le minimum relatif, on mémorise la valeur de l'accélération minimum teta"bm.
• (143) peut aussi utiliser une autre méthode pour mémoriser la 600 valeur du minimum de l'accélération teta" en utilisant une connaissance à priori de la localisation des bandes mortes sur un tour de plateau : on compte en effet le passage des dents devant le capteur de déplacement, on peut définir des intervalles de rotation angulaire à l'intérieur desquels on 605 calcule une valeur représentative qui peut être la valeur moyenne ou la valeur minimum de l'accélération angulaire, qui sera mémorisée pour son usage à l'extérieur des bandes mortes.
• (143) peut aussi détecter la concavité de la courbe d'accélération angulaire et permettre de conclure à l'entrée
610 dans une bande morte par le changement de signe de la dérivée de teta" par rapport au temps .
• (145) mémorise la valeur de l'accélération teta"bm.
• (144) calcule le couple C selon les formules indiquées, puis on calcule la puissance instantanée Pn, l' énergie cumulée En,
615 la comparaison avec les seuils de puissance, en fonction de quoi on incrémente les compteurs de ressources (96) (101) (106), et finalement on actualise la valeur de la vitesse teta' mémorisée pour l'itération suivante. La fin de (144) ramène à l'attente d'une nouvelle impulsion venant de (140).
620 La réalisation de cette méthode de mesure du couple ne nécessite que très peu de modifications à apporter à la bicyclette et cela représente un intérêt économique certain pour les consommateurs . Un seul capteur Fig. 05 (15) ou (13) suffit pour mesurer la
625 rotation angulaire du pédalier (6). Il n'y a pas de préférence sur l'usage de tel ou tel plateau. Le capteur (15) ou (13) compte le passage des dents du plateau (7) ou (8) ou (9) . Cependant, l'application de la méthode nécessite d'utiliser un capteur de position de denture extrêmement précis et consommant
630 peu d' énergie électrique pour ce qui concerne la détection de rotation angulaire teta Fig. 02. la précision de taillage habituelle des dents d' un plateau est largement suffisante pour garantir la précision des mesures. Cependant, en cas d'adaptation du capteur sur du matériel usé
635 (denture usée, chaîne usée, palier usé) , il se peut que ces imperfections mécaniques ou un encrassement excessif perturbent la mesure, mais le remplacement de ces pièces par du neuf ou leur nettoyage rétablit la qualité de la mesure. Les capteurs choisis pour la détection des dents sont de
640 préférence des capteurs optiques ou des capteurs sans contact inductifs à oscillateur amorti ou à réluctance variable.
La détection optique dont le schéma de principe donné en Fig. 07 utilise un couple émetteur-récepteur (30) dont le maximum de
645 sensibilité se situe dans l'infrarouge, pour une longueur d'onde de 950 nm, de manière à s'écarter au maximum du pic des fréquences contenues dans la lumière solaire ou artificielle. Le détecteur est un phototransistor, mais pourrait aussi être une photodiode. Une brosse (25) en fibres synthétiques permet de
650 limiter l' entrée de lumière solaire directe sur le phototransistor et évite aussi les salissures dues à la poussière ou à l'eau projetée, tout en laissant passer les dents des plateaux librement. Une deuxième brosse peut être rajoutée pour protéger le capteur de projections de salissures venant de la
655 partie inférieure de la bicyclette.
Le couple émetteur-récepteur proposé peut être indifféremment transmissif comme présenté Fig. 09 ou réflectif Fig. 08, en fonction de la facilité d'implantation sur la bicyclette. Le couple émetteur-récepteur (30) et l'électronique associée Fig. 07
660 sont assemblés mécaniquement de manière à former une unité avec un câble de sortie. Un moulage en résine synthétique permet de rendre l'ensemble sous sa forme (16) ou (14) Fig. 05 étanche à l'eau et aisément montable sur la platine (17) Fig. 05
665 La méthode de détection proposée dont un chronogramme est donnée en Fig. 07A permet toutefois de s'affranchir du niveau de lumière ambiante qui pourrait perturber la détection du passage des dents par le capteur. Le couple émetteur-récepteur (30) est donc utilisé de manière séquentielle, d'une part pour mesurer le
670 niveau d' éclairement ambiant (sa diode électroluminescente étant non-alimentée) , niveau qui est mémorisé juste avant la mise en service de sa diode électroluminescente, puis d'autre part pour mesurer avec son phototransistor l'énergie reçue de sa diode électroluminescente alimentée. La comparaison du signal reçu en
675 phase de mesure d' éclairement ambiant avec le signal reçu en phase d'alimentation de la diode électroluminescente permet de décider de la présence d'une dent ou de son absence. L'état de sortie du comparateur (36), indiquant la présence ou l'absence d'une dent est mémorisée (38) sur le front (41) de
680 coupure d'alimentation de la diode électroluminescente.
Pour un grand plateau (7) équipé de 50 dents par exemple, la vitesse de rotation nominale du plateau pour des pistards de haut niveau est de 100 tours par minute, ce qui donne une fréquence de
685 passage de dents de 83 Hz, celle d'un routier en bonne forme est aux environs de 80 tours par minute pour des épreuves d'endurance (soit une fréquence de 65 Hz) . La fréquence maximum de l'oscillateur (31) de la détection optique est de préférence de l'ordre de 20 à 50 kHz.
690 Le durée d'alimentation de la diode électroluminescente est préférentiellement de l'ordre de 10 μs soit 1/5 de la période de détection optique, ce qui permet de réduire l'énergie électrique consommée.
695 De manière préférentielle, l'oscillateur (31) de détection optique est intégré à la détection optique Fig. 07, de manière à éviter des problèmes de compatibilité électromagnétique, compte tenu de la raideur des fronts de cette horloge. On peut aussi fournir cette horloge à partir de l'unité centrale embarquée (1),
700 mais on devrait alors faire transiter ce signal par des câbles ; dans ce cas, on peut combiner astucieusement la fourniture des signaux d'horloge venant de (1) avec une estimation de l'instant d'arrivée du front de denture suivant, de manière à éviter d'alimenter l'émetteur optoélectronique lorsque le système sait
705 que la dent sera présente ou absente pendant un certain temps, fonction du pas de la denture et de la vitesse de rotation teta' du plateau. On réalise ainsi une économie d'énergie substantielle . Un hystérésis est créé sur la détection de passage des dents, de
710 manière à éviter les instabilités de détection, grâce à la réaction (37) sur le comparateur (36).
Lorsque l' éclairement ambiant augmente, le coefficient de transfert (rapport du courant du phototransistor par le courant
715 de la diode électroluminescente) du couple émetteur-récepteur
(30) augmente aussi, et la détection peut en être affectée. Une diode peut être rajoutée en parallèle avec la charge (34) du phototransistor, apportant une correction automatique du coefficient de transfert.
720
La détection optique Fig. 07 est alimentée par l'unité centrale embarquée (1) ; le signal détecté (38) est envoyé à l'unité centrale embarquée (1) ; c'est l'unité centrale embarquée (1) qui gère donc la mise sous tension ou hors tension du module de
725 détection en fonction de l'utilisation du système complet.
La valeur calculée du couple utile C est ensuite multipliée par la valeur de teta' présente, de manière à obtenir la puissance instantanée utile. L'échantillonnage du calcul du couple utile C
730 et de la puissance instantanée P se produit à chaque passage d' une nouvelle dent ou de plusieurs dents du plateau devant le capteur de rotation angulaire . Sur un tour de roue et pour un plateau de 50 dents, on dispose donc en général jusqu'à 50 échantillons, soit 25, la moitié, pour le travail de la jambe
735 gauche et autant pour l'autre jambe.
Le calcul de l' énergie est un cumul des valeurs de puissance instantanées sur un tour de pédalier multiplié par la durée pendant laquelle le couple C a été moteur. Pour tous les calculs numériques des expressions données en Fig.
740 02, certaines valeurs doivent être enregistrées par le cycliste avant la course, comme son poids, celui du cadre de la bicyclette, de chaque roue, afin que l'inertie équivalente J puisse être calculée.
745 Les trois filières A.T. P. sont symbolisées par des accumulateurs dynamiques, préchargés à 100% pour une excursion et visibles sur l'écran graphique (51) de l'unité centrale embarquée (1). L'accumulateur de la filière Créatine Phosphocrêatine CP (96) Fig. 03 ne sera décrémenté à chaque unité de temps que lorsque la
750 puissance instantanée du cycliste dépassera la valeur Pl (94) pré-définie par le cycliste à l'avance et un signal sonore (série de bip rapides) sera émis par l'unité centrale embarquée (1) . Une fois l'accumulateur CP (96) vide, celui-ci restera vide pour toute la durée de l'excursion, c'est à dire qu'il ne se remplira
755 pas à nouveau. Par contre, si au cours de l'excursion, le cycliste délivre une puissance à nouveau supérieure à Pl (94), cela veut dire que la valeur de Pl (94) a été sous-estimée, et l'indication (98) continuera a évoluer de manière à donner en fin d'excursion la valeur finale atteinte. Cette valeur permet donc
760 d'une excursion à l'autre, de mesurer les changements de forme physique du cycliste.
L'accumulateur AN (101) Fig. 03 de la filière anaérobie lactique est aussi décrémenté à chaque unité de temps, dès que la puissance instantanée fournie par le cycliste est comprise entre
765 la valeur Pl (94) et la valeur P2 (95) aussi pré définie à l'avance et un signal sonore (série de bip lents) sera émis par l'unité centrale embarquée (1). L'accumulateur AN (101) à la différence de CP (96) a la possibilité de se remplir durant l'excursion, de manière à représenter la récupération et
770 l'élimination de l'acide lactique par l'organisme. Un fonctionnement continu dans la zone Pl (94) P2(95) videra l'accumulateur AN (101) en 2 à 4 minutes typiquement , et l'accumulateur AN (101) se reremplira automatiquement en 15 à 20 minutes typiquement (constante de temps T paramétrable au départ
775 de l'excursion) ; c'est à dire que le cycliste aura la possibilité de fournir un nouvel effort dans cette filière si son excursion le lui permet. Dans ce cas, le cycliste est sûr de ne pas avoir à subir d' effet négatif sur sa performance ou sa physiologie. L'indication (103) n'est jamais saturée et
780 s'incrémente dès que la puissance est dans la zone Pl (94) P2(95). Finalement, le dernier accumulateur (106) de la filière aérobie AE est décrémenté dès que la puissance instantanée fournie est supérieure à un seuil minimum (non représenté) et inférieure au seuil P2 (95). Comme cette filière n'est pas limitée dans le
785 temps et que les réserves énergétiques du cyclistes ne sont pratiquement pas épuisables complètement, cet accumulateur compteur se remplira à nouveau instantanément dès qu' il sera vide et l'indication (108) continuera à être incrémentée jusqu'à la fin de l'excursion.
790
Pour chaque filière ci-dessus, les indicateurs de minimum et maximum de fréquence cardiaque (99) (100), (104) (105), (109) (110) situés à côté de chaque accumulateur (96), (101), (106) sont actualisés en fonction des informations disponibles. Toutes les
795 valeurs intermédiaires restent affichées sur leur barre graphique .
L'évolution temporelle de la puissance instantanée (93) et les seuils Pl (94) et P2(95) représentés sous la forme de ligne 800 horizontales pointillées comme sur la Fig. 03 sont aussi disponibles sur l'écran graphique (51) de l'unité centrale embarquée (1) , au choix du cycliste.
Lorsque l'unité centrale embarquée (1) utilise en temps réel les 805 informations de position issues d'un capteur de Positionnement
Global (GPS) non représenté, on rajoute à l'évolution temporelle de la puissance instantanée (93) un curseur (113) qui permet d'indiquer au cycliste quelle est la valeur de puissance qu'il devrait fournir à cet endroit précis de son parcours pour 810 atteindre son objectif conformément à sa préparation.
De même, les accumulateurs (96) et (97) disposent d'un curseur de consigne respectivement (111) et (112) qui permettent au cycliste de connaître à cet endroit précis du parcours quelle devrait être l'état de ses réserves. 815
Manières de réaliser l'invention
La description qui est donnée s'applique à une bicyclette équipée 820 d'un nombre quelconque de plateaux. Les diodes électroluminescentes des capteurs optiques peuvent être remplacés par des diodes laser à faisceau focalisé optiquement ou non, qui améliorent l'immunité à la lumière ambiante au détriment de la consommation électrique cependant. De
825 même le phototransistor peut être remplacé par une photodiode associée à un amplificateur (transistor ou amplificateur opérationnel JFET) .
Les capteurs optiques peuvent être remplacés par des capteurs à oscillateur amorti du genre Siemens TCA 105 ou TCA 355B, qui ont
830 l'avantage de ne pas être sensibles à la lumière environnante ou à la saleté. Par contre ils ont l'inconvénient d'être sensible à l'entrefer entre leur face de mesure et la roue dentée, créant par là-même une perturbation sur le signal qui, si elle est maîtrisée, peut donner de bons résultats.
835
On peut aussi vouloir remplacer la détection sur les dentures mêmes des plateaux (7) (8) (9) par une roue codeuse ou autres moyens tels que l'état de la technique les propose.
840 Le principe de la détection s'applique aussi au pignons arrière sur l'un desquels on peut ajouter un détecteur optique.
En fonction du volume des séries de fabrication de l'invention, on peut avoir recours à différentes technologies de production,
845 soit de manière programmée à l'aide de mémoires, soit de manière fondue dans le silicium, soit à l'aide de logique floue. La méthode de calcul peut aussi être réalisée à partir de circuits analogiques, ou d'une combinaison de circuits numériques et analogiques .
850

Claims

REVENDICATIONS :
1. Une méthode de calcul du couple moteur instantané appliquée à une bicyclette dont le pédalier est équipé d'un dispositif de
855 mesure de mouvement et de calcul de sa vitesse et de son accélération angulaires, et d'un dispositif de mesure du mouvement de rotation d'une roue, méthode dans laquelle la détection du minimum local de l'accélération angulaire du pédalier et la mémorisation de la valeur de ce minimum à
860 l'intérieur de chaque demi-cycle ou plusieurs demi-cycles de rotation du pédalier permet d'une part de discriminer la contribution de tous les efforts extérieurs à l'ensemble formé par la bicyclette et son conducteur de celle du couple moteur, et d' autre part de la quantifier en vue du calcul de la
865 puissance instantanée, moyenne, ou crête fournie par le cycliste lorsqu'il y transmission directe et continue du mouvement du pédalier à la roue motrice .
2. La méthode 1 dans laquelle le rapport actuel de
870 démultiplication de la transmission par chaîne, soit le rapport du nombre de dents du plateau menant à celui du pignon mené, est obtenu ou bien par comptage du nombre d'impulsions reçues du dispositif de mesure de mouvement du pédalier pendant une ou plusieurs rotation complètes de la roue équipée
875 du dispositif de mesure du mouvement de rotation, ou bien directement du traitement de signaux émis par les dispositifs de commande des dérailleurs ou les dérailleurs eux-même, permettant de calculer couple et puissance utile instantanés.
880 3. Une méthode de détection du mouvement de rotation d'un plateau utilisant directement le profil de sa denture, c'est à dire l'ensemble des formes, surfaces et volumes nécessaire à l ' engrènement harmonieux de la chaîne en vue de transmettre l'effort moteur, pour influencer le trajet d'un faisceau de
885 photons émis par un émetteur optoélectronique dont la commande périodique et en séquence consiste d'une part à mesurer par un récepteur photosensible, protégé de l' éclairement ambiant par une ou des brosses réalisant un écran protecteur entre le capteur et le plateau, la valeur de l' éclairement environnant
890 seul et de la mémoriser, et d'autre part à comparer cette valeur mémorisée avec la valeur actuelle mesurée par le même récepteur photosensible lorsque l'émetteur optoélectronique est mis en service, en vue déterminer la présence ou l'absence d'une dent dans le trajet du faisceau photons émis par un 895 émetteur optoélectronique et d'en mémoriser l'état jusqu'à la séquence de détection suivante.
4. La méthode 3, dans laquelle la mesure de l' éclairement environnant mémorisé ou non-memorisé est effectuée par un
900 deuxième récepteur photosensible indépendant du premier.
5. La méthode 3 dans laquelle le capteur optique est du type transmissif, c'est à dire que la présence d'une dent dans le faisceau lumineux émis par l'émetteur optoélectronique
905 interrompt la réception des photons par le photo-détecteur.
6. La méthode 3 dans laquelle le capteur optique est du type réflectif, c'est à dire que la l'absence de dent dans le faisceau lumineux émis par l'émetteur optoélectronique
910 interrompt la réception des photons par le photo-détecteur.
7. La méthode 3 dans laquelle la fréquence de commande de l'émetteur optoélectronique n'est pas constante mais dépendante de la prévision calculée de l'instant probable
915 d'apparition ou de disparition d'une dent du plateau.
8. Une méthode de calcul des ressources énergétiques consommées par l'utilisateur d'un bicyclette équipée d'un dispositif sachant calculer la puissance instantanée fournie et sa valeur
920 moyenne, et consistant d'une part à comparer l'amplitude de la puissance instantanée fournie ou sa valeur moyenne à des seuils pré-définis à l'avance, et d'autre part à quantifier la durée de l'excursion du signal au delà de ces seuils, en vue de comptabiliser la consommation dans chacune des trois
925 filières énergétiques anaérobie alactique, anaérobie lactique, ou aérobie, avec la finalité de générer des signaux visuels et accoustiques à usage du cycliste.
9. La méthode 8 dans laquelle les valeurs des ressources des 930 trois filières au départ d'un trajet sont initialisées, le compteur de la filière anaérobie lactique rechargé au cours de la réalisation du trajet en fonction du profil de dépense énergétique de ladite réalisation, ce en fonction des données physiologiques et de la capacité de récupération propres au 935 cycliste, ce en vue de fournir en fin de trajet une information cumulée sur la dépense totale d' énergie dans chaque filière .
10.Une méthode selon 8 gérant les informations d'un dispositif de 940 mesure d'activité cardio-vasculaire permettant d'afficher l'évolution du minimum et du maximum de la fréquence cardiaque en correspondance avec l'activité dans chaque filière.
11.Un dispositif monté sur le cadre de la bicyclette de mesure 945 directe et sans contact du mouvement de rotation d'un plateau utilisant sa denture et constitué de :
- un couple optique à faisceau protégé focalisé émetteur-récepteur à diode électroluminescente et phototransistor, du genre fourchette transmissive ou bloc
950 réflectif,
- un comparateur analogique rapide comparant le signal du phototransistor avec une valeur fonction du niveau d' éclairement ambiant du capteur,
- une adaptation du gain du phototransistor en fonction de 955 l' éclairement ambiant,
- une mémoire d'état de la sortie du comparateur analogique,
- une horloge rapide pilotant en séquence l'émission des photons par la diode électroluminescente et pilotant d'une
960 part un dispositif suiveur mémoire du niveau d' éclairement ambiant et d'autre part la mise en mémoire d'état de la sortie du comparateur, qui est une représentation directe de la présence ou de l'absence d'une dent.
965 12.Un dispositif, autonome et comprenant une unité centrale, monté sur une bicyclette et permettant le calcul de la vitesse et l'accélération angulaires du pédalier grâce à un dispositif de mesure du mouvement d' un plateau, qui combiné à un dispositif de calcul du rapport de démultiplication
970 plateau/pignon permettant de calculer, grâce à la détection du passage de l'accélération angulaire du pédalier par un minimum local au cours de la rotation, d'afficher graphiquement, d'émettre un signal sonore, d'enregistrer et de restituer ultérieurement le couple instantané, la puissance instantanée
975 et leurs valeurs moyennes, maximum maximorum, et comprenant : -une unité centrale à processeur d'acquisition, de calcul, de communication, de datation et de stockage en mémoire, -un moniteur temps réel multitâche, -une unité d'affichage mixte matriciel et numérique, rétro
980 éclairée à processeur numérique placé sous la commande de l ' unité centrale,
-un émetteur de signal acoustique,
-une unité de gestion de l'énergie permettant d'isoler l'alimentation des capteurs et de l'afficheur,
985 -une interface utilisateur par moyen de micro-contacts, -une interface liaison série pour communication avec un équipement de positionnement global (GPS) ou un ordinateur non-embarqué, -une alimentation par batteries ou accumulateurs
990 rechargeables,
-un panneau solaire capable d'alimenter le système et de recharger les batteries,
-une protection mécanique de l'équipement électronique contre les intempéries, la poussière et les chocs,
995 -un dispositif de montage amovible sur le guidon de la bicyclette,
-un faisceau de raccordement aux capteurs électroniques, -un moyen de détection de rotation angulaire du pédalier et sa fixation sur le cadre de la bicyclette, sa fixation et sa 1000 protection mécanique,
-un moyen de détection de rotation angulaire du plateau lié à la chaîne et sa fixation sur le cadre de la bicyclette, sa fixation et sa protection mécanique, -un capteur de rotation angulaire de la roue. 1005
13.Un dispositif selon 12 dans lequel la comparaison de l'amplitude de la puissance instantanée ou de la puissance moyenne fournie à des seuils physiologiques permet de 1010 déterminer la filière d'exploitation des ressources A. T. P. du cycliste, soit anaérobie alactique, soit anaérobie lactique, ou enfin aérobie, de l'afficher, d'émettre des signaux sonores ou optiques, d'enregistrer et de combiner ces informations avec la position du cycliste sur un trajet.
1015
14.La mise en oeuvre de l'algorithme tel que décrit en 1 procède d'une programmation numérique complète ou partielle utilisée par une unité centrale équipée d'un ou plusieurs microprocesseur ou microcontôleur ou processeur de signaux
1020 numérique ou en logique fondue ou en logique floue sur une ou plusieurs puces électroniques.
15.La mise en oeuvre de l'algorithme tel que décrit en 1 réalisée complètement ou partiellement à partir de composants
1025 électroniques actifs et passifs discrets, intégrés ou hybrides, comme un dispositif suiveur mémoire, multiplicateur analogique, différenciateur analogique, amplificateur opérationnel sommateur, comparateur, et les convertisseurs analogiques-numériques pour exploitation sur une unité de
1030 traitement ou affichage.
16.La mise en oeuvre d'un algorithme tel que décrit en 1 et réalisée par toute combinaison technique de solution de fabrication telles que décrites en 14 et en 15.
1035
17. un assistant aidant à la gestion des ressources musculaires incorporant :
-un algorithme de calcul tel que décrit en 1, -un méthode de calcul telle que décrite en 8,
1040 -un équipement électronique tel que décrit en 12,
-trois compteurs temps de fonctionnement dans les trois gammes de puissance correspondantes au filières anaérobie alactique, anaérobie lactique et aérobie, -un affichage des informations provenant d' un système
1045 indépendant de mesure d'activité cardio-vasculaire,
-la gestion de la position actuelle de la bicyclette sur un parcours déterminé à l'avance, donnant une indication au cycliste sur l'instant de déclenchement opportun et l'amplitude de son effort.
1050
18.Un dispositif selon 17 dans lequel la détection de mouvement de rotation du pédalier est effectuée à l'aide d'un dispositif tel que 11.
1055 19.Un dispositif selon 17 dans lequel la détection de mouvement de rotation du pédalier est effectuée à l'aide d'un dispositif à singularités multiples, optique, magnétique, inductif, capacitif, réluctant, rajouté sur le pédalier ou les plateaux.
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